JP6490931B2 - 無停電電源装置および無停電電源装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、無停電電源装置に関する。

一般に、様々な無停電電源装置が知られている。例えば、負荷へ供給する電流の変動に対応して、充電器の定格電流の範囲内で蓄電池への充電電流を大きくできるようにすることを目的とした無停電電源装置が開示されている（特許文献１参照）。また、バッテリの充電電力最大値を制御する無停電電源装置が開示されている（特許文献２参照）。さらに、無停電電源装置において、停電回復から所定時間が経過するまでの間、推奨充電電圧よりも高い充電電圧でバッテリを充電することが開示されている（特許文献３参照）。

特開平７−１７０６７７号公報 特開２００５−３４１７０８号公報 特開２００６−２０３９９８号公報

しかしながら、電力系統の電力需要が多いときに、蓄電池を大電流で急速充電すると、電力系統に掛かる負担が大きくなる。また、契約などにより電力系統から受電する最大電力が決められている場合、蓄電池を充電することにより、この最大電力を超過する可能性がある。

そこで、本発明の目的は、電力状況に応じて蓄電池を充電することのできる無停電電源装置を提供することにある。

本発明の観点に従った無停電電源装置は、交流電源から交流電力が供給され、直流電力に変換する順変換手段と、前記順変換手段から供給される直流電力を交流電力に変換する逆変換手段と、前記順変換手段から供給される直流電力により充電される蓄電手段と、前記交流電源から出力される前記順変換手段に供給される交流電力以外の交流電力が含まれる需要電力を検出する需要電力検出手段と、前記需要電力検出手段により検出される前記需要電力に基づいて、前記蓄電手段の充電を制御する充電制御手段とを備える。

本発明によれば、電力状況に応じて蓄電池を充電することのできる無停電電源装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。 第１の実施形態に係る制御部に実装される充電電流制御回路の構成を示す構成図。 本発明の第２の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。 第２の実施形態に係る制御部に実装される充電電流制御回路の構成を示す構成図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る無停電電源装置１の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

無停電電源装置１は、需要家設備１１として設置される。例えば、需要家設備１１は、工場又はビルなどの需要家が所有又は管理などをする敷地内の設備である。需要家設備１１には、無停電電源装置１の負荷９以外にも多数の負荷１０ａ，１０ｂ，…，１０ｎがある。無停電電源装置１には、蓄電池８、負荷９、交流電源１２及びバイパス電源１３が接続される。蓄電池８は、例えば、短時間で急速充電が可能なリチウムイオン電池などである。なお、蓄電池８は、無停電電源装置１の構成部品として設けられていてもよい。

正常時は、無停電電源装置１は、交流電源１２から受電する電力により、負荷９に電力を供給する。非常時は、無停電電源装置１は、バイパス電源１３から受電する電力により、負荷９に電力を供給する。電力供給源を交流電源１２からバイパス電源１３に切り換えるまでの間は、無停電電源装置１は、蓄電池８の蓄電エネルギーにより、負荷９に電力を供給する。交流電源１２及びバイパス電源１３は、例えば、商用の電力系統（商用電源）であるが、自家発電機でもよい。なお、無停電電源装置１が交流電源１２及びバイパス電源１３から受電する交流電力は、単相又は三相などのどのような交流電力でもよい。また、無停電電源装置１は、受電する交流電力に合わせて構成されているものとする。

無停電電源装置１は、順変換器２、逆変換器３、切換回路４、充電器５、制御部６、及び電力検出器７を備える。

順変換器２の交流側には、交流電源１２が接続される。順変換器２は、交流電力を直流電力に変換する電力変換回路で構成される。順変換器２は、交流電源１２から供給される交流電力を直流電力に変換する。順変換器２は、変換した直流電力を逆変換器３に供給する。

逆変換器３の直流側は、順変換器２の直流側に直流リンクで接続される。逆変換器３は、直流電力を交流電力に変換する電力変換回路で構成される。逆変換器３は、順変換器２又は蓄電池８から供給される直流電力を交流電力に変換する。逆変換器３は、変換した交流電力を切換回路４に出力する。

切換回路４の入力側は、逆変換器３の交流側及びバイパス電源１３と接続される。切換回路４の出力側は、負荷９と接続される。正常時は、切換回路４は、逆変換器３から入力される交流電力を負荷９に供給する。非常時は、切換回路４は、バイパス電源１３から入力される交流電力を負荷９に供給する。切換回路４は、非常時になると、交流電力源を逆変換器３からバイパス電源１３に切り換えて、負荷９に交流電力を供給する。非常時とは、交流電源１２からの給電の停止時、無停電電源装置１のメンテナンス時、又は順変換器２の異常時などである。切換回路４は、制御部６からの切換指令により切換動作を行ってもよいし、操作者が手動により切換動作をさせてもよい。

蓄電池８は、順変換器２と逆変換器３の直流側同士を接続する直流リンクに、充電器５を介して接続される。蓄電池８は、非常時に負荷９に交流電力を一時的に供給するための電気エネルギーを蓄える。蓄電池８は、正常時に充電され、非常時に直流リンクに放電する。なお、蓄電池８は、無停電電源装置１の内部に限らず、無停電電源装置１の外部に設けられていてもよい。

充電器５は、蓄電池８の充電及び放電を制御する変換器である。充電器５は、正常時に、直流リンクから供給される直流電力を蓄電池８を充電する直流電力に変換する。また、充電器５は、非常時に、蓄電池８から放電される電気エネルギーを直流リンクに供給する直流電力に変換する。充電器５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はチョッパ回路などである。

電力検出器７は、交流電源１２から需要家設備１１に供給される需要電力（交流電力）Ｐｄを検出する。電力検出器７が検出する需要電力Ｐｄは、無停電電源装置１に供給される交流電力だけでなく、需要家設備１１で受電する交流電源１２の全ての負荷１０ａ〜１０ｎ（無停電電源装置１を含む）に供給される交流電力である。電力検出器７は、検出した需要電力Ｐｄを検出信号として制御部６に出力する。なお、需要電力Ｐｄの対象となる負荷には、需要家設備１１の１０ａ〜１０ｎの一部が含まれていなくてもよいし、需要家設備１１以外の負荷が含まれていてもよい。需要電力Ｐｄには、交流電源１２から出力され、無停電電源装置１以外の少なくとも１つの負荷に供給される交流電力が含まれていればよい。

制御部６は、電力検出器７により検出された需要電力Ｐｄに基づいて、蓄電池８を充電する充電電流を決定する。制御部６は、決定した充電電流を流すように充電電流指令値Ｉｃｒを生成する。制御部６は、生成した充電電流指令値Ｉｃｒを充電器５に出力して、蓄電池８を充電するように充電器５を制御する。制御部６は、非常時に逆変換器３に直流電力を供給するために、蓄電池８を放電するように充電器５を制御する。なお、制御部６は、順変換器２、逆変換器３、及び切換回路４などの無停電電源装置１を構成する各機器を制御するが、ここでは蓄電池８を充電する制御について主に説明する。

図２は、本実施形態に係る制御部６に実装される充電電流制御回路２０の構成を示す構成図である。

充電電流制御回路２０は、充電電流指令値Ｉｃｒを生成して、充電器５を制御することで、蓄電池８に流す充電電流を制御する回路である。充電電流制御回路２０は、需要電力割合演算部２１及び充電電流指令値演算部２２を備える。

需要電力割合演算部２１には、電力検出器７により検出された需要電力Ｐｄが検出信号として入力される。需要電力割合演算部２１は、需要電力Ｐｄを予め設定されている最大電力Ｐｍａｘで割り、需要電力割合Ｒｐを演算する。需要電力割合Ｒｐは、交流電源１２の負荷率に相当し、電力状況を示す指標となる。需要電力割合演算部２１は、演算した需要電力割合Ｒｐを充電電流指令値演算部２２に出力する。

ここで、最大電力Ｐｍａｘは、電力検出器７により検出される需要電力Ｐｄに対する最大の電力である。例えば、最大電力Ｐｍａｘは、需要家と交流電源１２の交流電力を売電する電気事業者等との契約により決められた最大の契約電力量でもよいし、交流電源１２又は需要家設備１１により物理的に決定される最大の電力量でもよいし、その他の方法により物理的又は人為的に決定した電力量でもよい。

充電電流指令値演算部２２は、需要電力割合演算部２１により演算された需要電力割合Ｒｐ及び予め設定されている充電電流基準値Ｉｃｓに基づいて、充電電流指令値Ｉｃｒを演算する。充電電流指令値演算部２２は、演算した充電電流指令値Ｉｃｒを充電器５に出力する。これにより、制御部６は、蓄電池８に流れる充電電流が演算した充電電流指令値Ｉｃｒに追従するように、充電器５を制御する。

ここで、充電電流指令値Ｉｃｒの求め方の一例について説明する。

充電電流指令値演算部２２には、充電電流として許容できる最大の充電電流指令値が充電電流基準値Ｉｃｓとして予め設定されている。例えば、充電電流基準値Ｉｃｓは、充電器５又は蓄電池８の許容電流である。

充電電流指令値演算部２２は、需要電力割合演算部２１から入力された需要電力割合Ｒｐを１から引いた差分の割合を演算する。この差分の割合は、需要電力割合Ｒｐが１（需要電力Ｐｄ＝最大電力Ｐｍａｘ）であれば０となり、需要電力割合Ｒｐが０（需要電力Ｐｄ＝０）であれば１となる。充電電流指令値演算部２２は、演算した差分の割合を充電電流基準値Ｉｃｓに掛けて、充電電流指令値Ｉｃｒを求める。なお、需要電力Ｐｄが予め決められた所定の電力よりも低ければ、充電電流指令値Ｉｃｒを最大の充電電流指令値である充電電流基準値Ｉｃｓとしてもよい。

本実施形態によれば、無停電電源装置１の負荷９以外の負荷１０ａ〜１０ｎも含む需要電力Ｐｄを検出して、需要電力Ｐｄに基づいて、蓄電池８を充電する充電電流指令値Ｉｃｒを演算することで、交流電源１２の電力状況に応じた充電電流を蓄電池８に流すことができる。具体的には、電力需要が少ない場合は、充電電流を多くして、蓄電池８の充電時間を短くし、電力需要が多い場合は、充電電流を少なくして、交流電源１２の負担を軽減することができる。

これにより、電気事業者との契約などにより最大電力（契約電力など）が決められている場合でも、蓄電池８を充電することにより最大電力を超えるのを防止することができる。また、交流電源１２が、停電が頻発するような不安定な状況の場合、蓄電池８を充電する頻度も高くなる。このような場合でも、交流電源１２の電力状況に応じて、蓄電池８を充電するため、最大電力を超えない範囲で、蓄電池８を急速に充電し、交流電源１２の停電に備えることができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る無停電電源装置１Ａの構成を示す構成図である。

無停電電源装置１Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る無停電電源装置１において、制御部６を制御部６Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

図４は、本実施形態に係る制御部６Ａに実装される充電電流制御回路２０Ａの構成を示す構成図である。

充電電流制御回路２０Ａは、図２に示す第１の実施形態に係る充電電流制御回路２０において、充電電流指令値演算部２２を充電指令値選択部２２Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る充電電流制御回路２０と同様である。

充電指令値選択部２２Ａには、需要電力割合演算部２１により演算された需要電力割合Ｒｐが入力される。充電指令値選択部２２Ａには、需要電力割合Ｒｐに応じて決定される複数の充電電流指令値ＩｃｒＡが予め設定されている。充電指令値選択部２２Ａは、需要電力割合Ｒｐを取得すると、複数の充電電流指令値ＩｃｒＡの中から、需要電力割合Ｒｐに対応する１つの充電電流指令値ＩｃｒＡを選択する。需要電力割合Ｒｐが低い場合には、多い充電電流を流す充電電流指令値ＩｃｒＡが選択され、需要電力割合Ｒｐが高い場合には、少ない充電電流を流す充電電流指令値ＩｃｒＡが選択される。充電指令値選択部２２Ａは、選択した充電電流指令値ＩｃｒＡを充電器５に出力する。これにより、制御部６Ａは、充電器５から蓄電池８に流れる充電電流が選択した充電電流指令値ＩｃｒＡに追従するように、充電器５を制御する。

本実施形態によれば、需要電力Ｐｄに基づいて、蓄電池８を充電する複数の充電電流指令値ＩｃｒＡの１つを選択することで、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、各実施形態において、需要電力を１つの電力検出器７で検出したが、このような構成に限らない。制御部６の演算に用いる需要電力Ｐｄが計測できるのであれば、複数箇所に設けられた複数の電力検出器で構成されていてもよいし、無停電電源装置１，１Ａに実装されている各種検出器を用いてもよい。また、需要電力Ｐｄはどのように検出してもよい。例えば、検出器は、電力を直接的に検出するものに限らず、電圧及び電流を別々に検出してもよいし、電圧を一定として電流だけを検出してもよい。さらに、需要電力Ｐｄは、どのような方式で、どのような時間間隔で検出してもよい。また、需要電力Ｐｄを常に検出している必要はなく、蓄電池８を充電する可能性が出たときに（例えば、蓄電率が所定値よりも低くなったとき）、検出してもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…無停電電源装置、２…順変換器、３…逆変換器、４…切換回路、５…充電器、６…制御部、７…電力検出器、８…蓄電池、９…負荷、１０ａ〜１０ｎ…負荷、１１…需要家設備、１２…交流電源、１３…バイパス電源。

Claims (7)

1. 無停電電源装置であって、
   第１交流電源から交流電力が供給され、直流電力に変換する順変換手段と、
   前記順変換手段から供給される直流電力を交流電力に変換して第１負荷に供給する逆変換手段と、
   前記順変換手段から供給される直流電力により充電され、前記無停電電源装置の外部に設けられた蓄電手段と、
   前記蓄電手段の蓄電率が所定値よりも低い場合、前記第１交流電源から出力される前記順変換手段に供給される交流電力以外の交流電力が含まれる需要電力を前記無停電電源装置の内部の電力線から検出し、前記蓄電率が前記所定値よりも高い場合、前記需要電力を検出しない需要電力検出手段と、
   前記順変換手段から直流電力を受けて前記蓄電手段を充電するとともに、前記蓄電手段から放電された直流電力を前記逆変換手段に供給する充電手段と、
   前記需要電力検出手段により検出される前記需要電力に基づいて、前記充電手段を制御する充電制御手段と、
   前記順変換手段から前記逆変換手段に直流電力が供給されない場合に、交流電力源を前記第１交流電源から第２交流電源に切り換える切換手段とを備え、
   前記需要電力の一部は、前記無停電電源装置から第２負荷に供給され、
   前記交流電力源が前記第１交流電源から前記第２交流電源に切り換えられるまでの間、前記蓄電手段は、前記逆変換手段に直流電力を供給する、無停電電源装置。
2. 前記充電制御手段は、前記需要電力検出手段により検出される前記需要電力に基づいて、前記蓄電手段に流す充電電流の指令値である充電電流指令値を生成すること
   を特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記充電制御手段は、前記需要電力が予め決められた所定の電力よりも低い場合、前記充電電流指令値を最大とするように構成されている、請求項２に記載の無停電電源装置。
4. 前記需要電力検出手段により検出される前記需要電力の予め決められた最大電力に対する割合を演算する割合演算手段を備え、
   前記充電制御手段は、前記割合演算手段により演算される割合に基づいて、前記充電電流指令値を生成すること
   を特徴とする請求項２または３に記載の無停電電源装置。
5. 前記充電制御手段は、前記需要電力検出手段により検出される前記需要電力に基づいて、前記充電電流指令値を演算すること
   を特徴とする請求項２または３に記載の無停電電源装置。
6. 前記充電制御手段は、前記需要電力検出手段により検出される前記需要電力に基づいて、予め決められた複数の指令値のうち１つを前記充電電流指令値として選択すること
   を特徴とする請求項２または３に記載の無停電電源装置。
7. 第１交流電源から供給される交流電力を順変換器により直流電力に変換し、前記順変換器により変換される直流電力により蓄電池を充電し、前記順変換器から供給される直流電力を逆変換器によって交流電力に変換して第１負荷に供給するとともに、前記第１交流電源から供給される交流電力の一部を第２負荷に供給する無停電電源装置の制御方法であって、
   前記蓄電池は、前記無停電電源装置の外部に設けられ、
   前記蓄電池の蓄電率が所定値よりも低い場合、前記第１交流電源から出力される前記順変換器に供給される交流電力以外の交流電力が含まれる需要電力を前記無停電電源装置の内部の電力線から検出し、前記蓄電率が前記所定値よりも高い場合、前記需要電力を検出せず、
   前記順変換器から直流電力を受けて前記蓄電池を充電するとともに、前記蓄電池から放電された直流電力を前記逆変換器に供給し、
   検出した前記需要電力に基づいて、前記蓄電池の充電を制御し、
   前記順変換器から前記逆変換器に直流電力が供給されない場合に、交流電力源を前記第１交流電源から第２交流電源に切り換え、
   前記交流電力源が前記第１交流電源から前記第２交流電源に切り換えられるまでの間、前記蓄電池から前記逆変換器に直流電力を供給すること
   を含むことを特徴とする無停電電源装置の制御方法。

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